DE69431273T2

DE69431273T2 - Verpolschutzschaltung

Info

Publication number: DE69431273T2
Application number: DE69431273T
Authority: DE
Inventors: Karl R. Heck
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: NXP USA Inc
Priority date: 1993-06-14
Filing date: 1994-05-20
Publication date: 2003-01-09
Anticipated expiration: 2014-05-21
Also published as: EP0629031B1; US5434739A; EP1168561A2; EP0629031A2; JP3506489B2; DE69431273D1; EP1168561A3; EP0629031A3; JPH077846A

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf Schutzschaltungen und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, auf eine Verpolschutzschaltung für den Einsatz bei Automobilanwendungen.

Hintergrund der Erfindung

Gegenwärtig existiert eine Vielzahl von Typen integrierter elektronischer Schaltungen (IC's) für den Einsatz in der Automobilindustrie. Im allgemeinen wird die Spannungsversorgung für diese Schaltkreise durch eine 12-Volt- Batterie in einem Automobil erzeugt. Jedoch müssen integrierte elektronische Schaltungen in Automobilen, die an eine Batterie angeschlossen sind, überdauern, wenn die Batterie an diese in Gegenrichtung verschaltet ist, um beispielsweise das Anliegen einer Durchlassvorspannung an den Epitaxieschichten der integrierten Schaltung zu verhindern, was dadurch zu einer Zerstörung der integrierten Schaltung führen könnte.
Ein Versuch, der im Stand der Technik gemacht wurde, um einen Schutz von in Gegenrichtung an die Batterie geschalteten integrierten Schaltungen zu erreichen, besteht im Einsatz einer in Reihe geschalteten Diode zwischen der Batterie und der integrierten Schaltung, wodurch, wenn die integrierte Schaltung in Gegenrichtung an die Batterie angeschlossen ist, an die in Reihe geschaltete Diode eine Vorspannung in Gegenrichtung angelegt wird. Sie verhindert dadurch das Anliegen einer Versorgungsspannung an der integrierten Schaltung. Jedoch beeinträchtigt der Einsatz einer Diode in Reihenschaltung das Leistungsverhalten bei niedriger Spannung; und die Geometrie der Diode wird größer, wenn die Anforderungen an den Versorgungsstrom ansteigen.
Ein anderer Versuch, der im Stand der Technik für den Einsatz einer Batterie-Verpolschutzschaltung zum Schutz eines integrierten Schaltkreises unternommen wurde, besteht im Einsatz eines gesättigten lateralen PNP- Transistors, der in Reihe zwischen der Batterie und der integrierten Schaltung geschaltet ist. Obwohl das Leistungsverhalten bei niedriger Spannung bei dieser Lösung nicht beeinträchtigt wird, führen die Anforderungen an den Basisstrom des lateralen PNP-Transistors zu einer Erhöhung des Energieverbrauchs, und die Geometrie des PNP- Transistors wird groß, wenn die Anforderungen an den Versorgungsstrom ansteigen.
Ein weiterer Versuch, der im Stand der Technik unternommen wurde, um eine Batterie-Verpolschutzschaltung für eine integrierte Schaltung zu erhalten, besteht im Einsatz eines geladenen, gepumpten, in Sperrrichtung geschalteten TMOS-Transistors als Durchlass-Bauelement zwischen der Batterie und der integrierten Schaltung, wobei der TMOS- Transistor ein passives (als Widerstandselement dienendes) Gate als Source-Anschluss hat. Jedoch erfordert diese Lösung den Einsatz von Gleichstrom aus der Ladungspumpe, um die Leistung des Transistors zu steigern. Die Abschaltzeit des TMOS-Transistors wird durch die Größe des passiven Gate-Anschlusses begrenzt. Zusätzlich muss die Ladungspumpe eine hohe Impedanz haben, wenn die Versorgungsspannung in Sperrrichtung geschaltet wird. Die europäischen Patentanmeldungen EP-A-0 349 836 und EP-A- 0 626 745 sowie die deutsche Patentanmeldung DE-A-39 30 091 zeigen Beispiele für Batterie-Verpolschutzschaltungen. Die europäische Patentanmeldung EP-A-0 626 745 ist jedoch nur als Stand der Technik im Sinne von Art. 54(3) EPÜ anzusehen, und zwar im Hinblick auf die für Deutschland geltenden Patentansprüche. Sie offenbart nicht das Anlegen einer Vorspannung an ein Epitaxiegebiet, das Bauelemente einer integrierten Schaltung für eine Batterie-Verpolschutzschaltung enthält.
Daher besteht ein Bedarf an einem verbesserten Schaltkreis für eine Batterie-Verpolschutzschaltung, die nicht die Leistung bei niedriger Spannung beeinträchtigt, die wirksam mäßig hohe Versorgungsströme annimmt und die nicht einen Gleichstrom von einer Ladungspumpe verlangt und die eine kurze Abschaltzeit hat.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Gegenstand des Patents, für den in Deutschland Schutz begehrt wird, wird durch den beigefügten Satz an Patentansprüchen wiedergegeben, die den Hinweis auf Deutschland enthalten.
Der Gegenstand des Patents, für den in Frankreich und im Vereinigten Königreich Schutz begehrt wird, wird durch den beigefügten Satz an Patentansprüchen wiedergegeben, die den Hinweis auf Frankreich und das Vereinigte Königreich enthalten.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die einzige Figur veranschaulicht ein detailliertes schematisches Diagramm einer Batterie- Verpolschutzschaltung zum Schutz einer integrierten Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform Unter Bezugnahme auf die einzige Figur wird ein als Batterie-Verpolschutzschaltung dienender Schaltkreis 10 erläutert, der innerhalb einer integrierten Schaltung (IC) 26 angeordnet ist und der zwischen einer Batterie 12 und einem Anschluss 22 verschaltet ist. Es versteht sich, dass der Anschluss 22 an weitere Schaltkreise angeschlossen ist, wobei diese weiteren Schaltkreise gegen den Anschluss an die Batterie in Gegenrichtung geschützt werden sollen. Die integrierte Schaltung (IC) 26 schließt den Schaltkreis 10 ebenso wie eine Ladungspumpe 18 und eine weitere (nicht dargestellte) Schaltkreise ein, die mit dem Anschluss 22 verbunden ist. Ein Anschluss 24 ist mit einem Masseanschluss der integrierten Schaltung (IC) 26 verbunden.
Der Schaltkreis 10 schließt einen Durchlass- Transistor 14 ein, der eine Source-Elektrode aufweist, die an einen Anschluss 16 angeschlossen ist, während die Gate- Elektrode des Transistors 14 über einen Widerstand 42 an die Ladungspumpe 18 angeschlossen ist. Das rückseitige Gate des Transistors 14 ist an die Source-Elektrode des Transistors 14 angeschlossen, während die Drain-Elektrode des Transistors 14 mit dem Anschluss 22 verbunden ist.
Der Schaltkreis 10 umfasst weiterhin eine Transistor/Zenerdiode 30 mit einem Basisanschluss, der mit dem Anschluss 16 verbunden ist, und einen Emitter, der an die Gate-Elektrode des Transistors 14 sowie die Drain- Elektrode eines Transistors 32 angeschlossen ist. Der Kollektor des Transistors 30 ist angeschlossen an die Kollektoren einer Transistor-/Zenerdiode 34 und einer Transistor-/Zenerdiode 36, wobei der Kollektor des Transistors 36 mit seinem Basisanschluss verbunden ist. Der Emitter des Transistors 36 und der Basisanschluss des Transistors 34 sind beide mit dem Anschluss 16 verbunden.
Außerdem sind die Source-Elektrode des Transistors 32 und die rückseitige Gate-Elektrode des Transistors 32 an den Anschluss 16 angeschlossen. Der Emitter des Transistors 34 ist verbunden mit der Gate-Elektrode des Transistors 32 und über einen Widerstand 38 mit dem Masseanschluss verbunden. Der Kollektor des Transistors 34 ist an den Kollektor einer Transistor/Diode 40 angeschlossen, wobei der Basisanschluss des Transistors 40 an seinen Kollektor angeschlossen ist. Der Emitter des Transistors 40 ist über den Widerstand 42 an die Gate-Elektrode des Transistors 14 angeschlossen. Zusätzlich ist der Emitter des Transistors 40 an die Ladungspumpe 18 angeschlossen.
Die Ladungspumpe 18 ist über eine Diode verbunden und andererseits an den Masseanschluss angeschlossen. Bei normaler Betriebsweise erfordert der Transistor 14 den Einsatz der Ladungspumpe 18, um eine Spannung zu erzeugen, die wenigstens um 5 V oberhalb der Spannung liegt, die von der Batterie 12 geliefert wird. Außerdem ist die Ladungspumpe 18 üblicherweise auf der integrierten Schaltung (IC) 26 verfügbar, da sie noch für weitere Anwendungen benötigt wird.
Bei korrekter Verschaltung ist der positive Anschluss der Batterie 12 an den Anschluss 16 angeschlossen, während der negative Anschluss der Batterie 12 an den Anschluss 24 angeschlossen ist. Daraus resultiert, dass, wie gewünscht, eine positive Versorgungsspannung an den Source-Elektroden der Transistoren 32 und 14 anliegt. Bei dieser Verschaltung ist der Transistor 14 in Funktion, während der Transistor 32 außer Funktion ist. Daraus resultiert, dass die Spannung, die an dem Anschluss 22 (in Bezug auf das Massepotential) im Wesentlichen der Spannung gleich sein wird, die an dem Anschluss 16 (in Bezug auf das Massepotential) anliegt, abzüglich eines IR-Abfalls, der über den Transistor 14 entsteht.
Wenn jedoch die Batterie 12 in falscher Weise in Gegenrichtung verschaltet ist, ist der positive Anschluss der Batterie 12 an den Anschluss 24 angeschlossen, während der negative Anschluss der Batterie 12 an den Anschluss 16 angeschlossen ist, was durch gestrichelte Linien 50 und 52 wiedergegeben ist. Dies bedeutet nun, dass eine negative Spannung (in Bezug auf das Massepotential) an die Source- Elektroden der Transistoren 14 und 32 anliegt, was nicht erwünscht ist. Unter dieser Bedingung wird der Transistor 32 in Funktion gesetzt, wobei die Gate-Elektrode des Transistors 14 mit seiner Source-Elektrode kurzgeschlossen ist, wodurch der Transistor 14 außer Funktion gesetzt wird. Daraus resultiert, dass die Spannung, die an dem Anschluss 16 anliegt, nicht zu dem Anschluss 22 durchgelassen wird und somit nicht an irgendwelchen zusätzlichen inneren Schaltkreisen anliegt. Außerdem können Epitaxieschichten, die üblicherweise mit dem Anschluss 22 verbunden sind, keinen Strom leiten und die integrierte Schaltung 26 zerstören.
Der Transistor 30 arbeitet wie eine Zenerdiode, um die Gate-Elektrode des Transistors 14 vor dem Anliegen einer zu hohen Spannung zu schützen. Im Wesentlichen verhält sich der Basisanschluss des Transistors 30 wie die Anode der Zenerdiode, während der Emitter des Transistors 30 die Kathode der Zenerdiode ist. Außerdem ist der Kollektor des Transistors 30 der dritte Anschluss der Zenerdiode und ist mit dem Kollektor des Transistors 34 verbunden, der die Epitaxieinsel ist. In ähnlicher Weise arbeitet der Transistor 34 als Zenerdiode, um zu verhindern, dass eine zu hohe Spannung an der Gate-Elektrode des Transistors 32 anliegt, wobei die Basis und die Emitter des Transistors 34 als Anode beziehungsweise als Kathode der Zenerdiode fungieren, während der Kollektor des Transistors 34 an die Epitaxieinsel angeschlossen ist.
Außerdem dient der Widerstand 38 dazu, um Ladung für den Transistor 32 zur Verfügung zu stellen, um diesen unter der Bedingung der in Gegenrichtung geschalteten Batterie in Funktion zu setzen. Ebenso dient der Widerstand 42 dazu, um um die Gate-Elektrode des Transistors 14 von der Ladungspumpe 18 abzukoppeln.
Es soll noch erwähnt sein, dass die Komponenten 30, 34, 32 und 38 alle auf einem einzigen Epitaxiegebiet hergestellt sind, an das über die PNP-Transistoren 36 und 40 eine Vorspannung anliegt.
Die vorliegende Erfindung gewährleistet, dass keine Epitaxieinseln mit dem Anschluss 16 verbunden sind. Daraus resultiert, dass, wenn die Anschlüsse der Batterie in Gegenrichtung geschaltet sind, an den Epitaxieinseln keine Durchlassvorspannung anliegt.
Die vorliegende Erfindung hat verschiedene Vorteile: an erster Stelle, dass der Schaltkreis 10 keinen zusätzlichen Gleichstrom erzeugt, der die Ladungspumpe 18 auflädt, wenn gewünscht wird, die Leistung des TMOS-Transistors 14 zu steigern und diesen anzuschalten. An zweiter Stelle darf unter der Bedingung, dass die Batterie in Gegenrichtung geschaltet ist, die Ladungspumpe 18 keinen besonders hohen Widerstand haben oder offen sein für die korrekte Verschaltung, wie dies bei Schaltungen nach dem Stand der Technik der Fall ist. Somit braucht die Ladungspumpe 18 keinen speziellen Design-Anforderungen zu genügen. An dritter Stelle sorgt der Schaltkreis 10 für einen Schutz bei Verschaltung der Batterie in Gegenrichtung, ohne einen Kopfraum für die Spannungsversorgung bei einem Betrieb mit niedriger Spannung zu verbrauchen, da keine in Reihe geschaltete Dioden eingesetzt werden. Zusätzlich setzt die vorliegende Erfindung den Transistor 14 schnell außer Funktion, wenn die Batterie in Gegenrichtung verschaltet ist. Insbesondere ist die Zeitkonstante für die Entladungszeit der Gate-Elektrode des Transistors 14 ein Produkt des Widerstandes zwischen Drain- und Source-Elektrode (RDSON, "drain-source on resistance") des Transistors 32 und der Eingangskapazitanz (Clss,"input capacitance") des Transistors 14, die normalerweise geringer als die Abschaltzeit bei einem Schaltungsschema mit einem passiven Gate- Anschluss ist.
Hiermit sollte durch die voranstehende Betrachtung deutlich sein, dass ein neuer Schutz-Schaltkreis vorliegt, der innere Schaltkreise einer integrierten Schaltung vor dem Anschluss der Batterie in Gegenrichtung schützt. Der Schutz-Schaltkreis umfasst einen Durchlass-Transistor, der in Funktion gesetzt wird, wenn die Versorgungsspannung in korrekter Weise an die integrierte Schaltung angeschlossen ist. Wenn jedoch die Spannungsversorgungsquelle nicht korrekt angeschlossen ist, wird ein zweiter Transistor aktiv, wodurch der Durchlass-Transistor außer Funktion gesetzt wird und verhindert wird, dass die Versorgungsspannung in Gegenrichtung an den inneren Schaltkreisen anliegt.
Auch wenn die Erfindung vorstehend nur in speziellen Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich, dass viele Veränderungen, Modifikationen oder Variationen für den Fachmann offensichtlich sind.

Claims

1. Schaltkreis (10) zum Schutz innerer Schaltkreise einer integrierten Schaltung (26) gegen den Anschluss einer Batterie in Gegenrichtung, wobei die integrierte Schaltung (26) eine Ladungspumpe (18) sowie einen ersten (16) und einen zweiten Anschluss (24) umfasst, wobei der Schaltkreis (10) umfasst:

ein erstes, zwischen dem ersten Anschluss (16) und den inneren Schaltkreisen angeschlossenes Mittel (14), das für den Durchlass einer Spannung, die zwischen dem ersten (16) und dem zweiten Anschluss (24) anliegt, zu den inneren Schaltkreisen sorgt, wenn die integrierte Schaltung (26) in korrekter Weise an die Batterie (12) angeschlossen ist, wobei das erste Mittel (14) eine erste stromführende Elektrode und eine Steuerelektrode aufweist, die eine von der Ladungspumpe (18) erzeugte Spannung empfängt;

ein zweites Mittel (32), das das erste Mittel (14) außer Funktion setzt, indem es die erste stromführende Elektrode des ersten Mittels (14) mit der Steuerelektrode des ersten Mittels (14) kurzschließt, wenn die integrierte Schaltung (26) in nicht korrekter Weise mit der Batterie (12) verbunden ist, wobei der Durchlass der Spannung, die zwischen dem ersten (16) und dem zweiten Anschluss (24) anliegt, zu den inneren Schaltkreisen blockiert wird, wobei das zweite Mittel einen ersten Transistor (32) umfasst, der erste und zweite stromführende Elektroden umfasst, sowie einen ersten Widerstand (38), der zwischen einer Steuerelektrode des ersten Transistors (32) und dem zweiten Anschluss (24) angeschlossen ist, wobei die erste stromführende Elektrode des ersten Transistors (32) an die Steuerelektrode des ersten Mittels (14) angeschlossen ist, die zweite stromführende Elektrode des ersten Transistors (32) an den ersten Anschluss (16) angeschlossen ist, wobei der erste Transistor (32) in Funktion gesetzt wird, wenn die integrierte Schaltung (26) in nicht korrekter Weise an die Batterie (12) angeschlossen ist;

ein erstes Zenerdiodenmittel (34), das zwischen der zweiten stromführenden Elektrode und der Steuerelektrode des ersten Transistors (32) zur Begrenzung einer zwischen diesen Elektroden abfallenden Spannung angeschlossen ist;

Vorspannungsmittel (36, 40), die an den ersten Anschluss (16) und die Ladungspumpe (18) angeschlossen sind, zum Anlegen einer Vorspannung an ein Epitaxiegebiet, in dem der erste Transistor (32), das erste Zenerdiodenmittel (34) und der erste Widerstand (38) hergestellt sind.

2. Schaltkreis (10) nach Anspruch 1, bei dem das zweite Mittel (32) zusätzlich ein zweites Zenerdiodenmittel (30) umfasst, die zwischen der ersten stromführenden Elektrode und der Steuerelektrode des ersten Mittels (14) zur Begrenzung einer zwischen diesen Elektroden abfallenden Spannung angeschlossen ist, wobei das zweite Zenerdiodenmittel (30) ebenfalls in dem Epitaxiegebiet hergestellt ist.

3. Schaltkreis (10) nach Anspruch 2, bei dem das erste Zenerdiodenmittel einen zweiten Transistor (34) mit einem Kollektor, einer Basis und einem Emitter umfasst, wobei die Basis des zweiten Transistors (34) an den ersten Anschluss (16) und der Emitter des zweiten Transistors (34) an die Steuerelektrode des ersten Transistors (32) angeschlossen sind,

wobei das zweite Zenerdiodenmittel einen dritten Transistor (30) mit einem Kollektor, einer Basis und einem Emitter umfasst, wobei die Basis des dritten Transistors (30) an den ersten Anschluss (16), der Emitter des dritten Transistors (30) an die Steuerelektrode des ersten Mittels (14) und der Kollektor des dritten Transistors (30) an den Kollektor des zweiten Transistors (34) angeschlossen sind, wobei die Mittel (36, 40) zur Erzeugung einer Vorspannung umfassen:

einen vierten Transistor (36) mit einem Kollektor, einer Basis und einem Emitter, wobei der Kollektor des vierten Transistors (36) an den Kollektor des dritten Transistors (30) angeschlossen ist, wobei die Basis des vierten Transistors (36) an den Kollektor des vierten Transistors (36) angeschlossen ist und wobei der Emitter des vierten Transistors (36) an den ersten Anschluss (16) angeschlossen ist; und

einen fünften Transistor (40) mit einem Kollektor, einer Basis und einem Emitter, wobei der Kollektor des fünften Transistors (40) an den Kollektor des vierten Transistors (36) angeschlossen ist, wobei die Basis des fünften Transistors (40) an den Kollektor des fünften Transistors (40) angeschlossen ist und wobei der Emitter des fünften Transistors (40) an die Ladungspumpe (18) angeschlossen ist;

und wobei das zweite Mittel außerdem einen zweiten Widerstand (42) umfasst, der zwischen dem Emitter des fünften Transistors (40) und der Steuerelektrode des ersten Mittels (14) angeschlossen ist.

4. Verfahren zum Vorsehen eines Schutzes gegen eine Verschaltung einer Batterie (12) in Gegenrichtung an innere Schaltkreise einer integrierten Schaltung (26), wobei die integrierte Schaltung (26) einen ersten (16) und einen zweiten Anschluss (24) zum Anschließen an die Batterie (12) aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Zulassen, dass eine Spannung, die an dem ersten Anschluss (16) anliegt, durch einen Transistor (14) zu den inneren Schaltkreisen durchgelassen wird, indem einer Steuerelektrode des Transistors (14) eine durch eine Ladungspumpe (18) erzeugte Spannung zur Verfügung gestellt wird, wenn die integrierte Schaltung (26) korrekt an die Batterie (12) angeschlossen ist;

Anlegen einer Vorspannung an ein Epitaxiegebiet, in dem ein weiterer Transistor (32) und ein Widerstand (38) hergestellt sind;

in Funktion Setzen des weiteren Transistors (32), indem der Widerstand (38) benutzt wird, wenn die integrierte Schaltung (26) nicht korrekt an die Batterie (12) angeschlossen ist;

aktives außer Funktion Setzen des Transistors (14), wenn die integrierte Schaltung (26) nicht korrekt an die Batterie (12) angeschlossen ist, wodurch verhindert wird, dass die Spannung, die an dem ersten Anschluss (16) anliegt, zu den inneren Schaltkreisen durchgelassen wird, wobei der weitere Transistor (32) eine Steuerelektrode des Transistors (14) mit einer stromführenden Elektrode des Transistors (14) im Wesentlichen kurzschließt, wenn der weitere Transistor (32) in Funktion tritt und die Ladungspumpe (18) von dem Transistor (14) abgekoppelt wird.